24 模拟量输出通道.ppt

2 4模拟量输出通道 本节要点1 模拟量输出通道的一般结构2 8位D A转换器DAC0832的原理及其接口电路3 D A转换器的输出方式及其输出电路 引言 在计算机控制系统中 把输入各种通道的信号传送给计算机 通过计算机运算和处理后 将结果输出给执行机构 以控制被控对象产生相应的操作 但由于计算机输出的是数字量 而执行机构往往要求模拟量输入 这就需要有相应的环节把数字量转换成适合于执行机构的模拟量 实现这一功能的环节就是模拟量输出通道 模拟量输出通道的任务 把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号 去驱动相应的执行器 从而达到控制的目的 一 模拟量输出通道的一般结构 模拟量输出通道 称为D A通道或AO通道 构成 一般是由接口电路 数 模转换器 简称D A或DAC 和放大 变换电路等组成 电路结构 各通道自备D A转换器形式 图2 4 1 a 和各通道共用D A转换器形式 图中2 4 1 b 特点 1 一路输出通道使用一个D A转换器2 D A转换器芯片内部一般都带有数据锁存器3 D A转换器具有数字信号转换模拟信号 信号保持作用4 结构简单 转换速度快 工作可靠 精度较高 通道独立5 缺点是所需D A转换器芯片较多 特点 1 多路输出通道共用一个D A转换器2 每一路通道都配有一个采样保持放大器3 D A转换器只起数字到模拟信号的转换作用4 采样保持器实现模拟信号保持功能5 节省D A转换器 但电路复杂 精度差 可靠低 占用主机时间 二 D A转换器及其与CPU的接口 1 D A转换器的性能指标D A转换器性能指标是衡量芯片质量的重要参数 也是选用D A芯片型号的依据 主要性能指标有 1 分辨率 2 转换精度 3 偏移量误差 4 稳定时间 1 分辨率 分辨率 是指D A转换器能分辨的最小输出模拟增量 即当输入数字发生单位数码变化时所对应输出模拟量的变化量 它取决于能转换的二进制位数 数字量位数越多 分辨率也就越高 其分辨率与二进制位数n呈下列关系 分辨率 满刻度值 2n 1 VREF 2n 2 转换精度 转换精度 是指转换后所得的实际值和理论值的接近程度 它和分辨率是两个不同的概念 例如 满量程时的理论输出值为10V 实际输出值是在9 99V 10 01V之间 其转换精度为 10mV 对于分辨率很高的D A转换器并不一定具有很高的精度 3 偏移量误差 偏移量误差 是指输入数字量时 输出模拟量对于零的偏移值 此误差可通过D A转换器的外接VREF和电位器加以调整 4 稳定时间 稳定时间 是描述D A转换速度快慢的一个参数 指从输入数字量变化到输出模拟量达到终值误差1 2LSB时所需的时间 显然 稳定时间越大 转换速度越低 对于输出是电流的D A转换器来说 稳定时间是很快的 约几微秒 而输出是电压的D A转换器 其稳定时间主要取决于运算放大器的响应时间 28位DAC0832芯片 DAC0832性能一个8位D A转换器电流输出方式稳定时间为1 s采用20脚双立直插式封装同系列芯片还有DAC0830 DAC0831 2 DAC0832工作原理 DAC0832的原理框图及引脚如图2 3所示 DAC0832主要由8位输入寄存器 8位DAC寄存器 8位D A转换器以及输入控制电路四部分组成 8位输入寄存器用于存放主机送来的数字量 使输入数字量得到缓冲和锁存 由加以控制 8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量 加以控制 8位D A转换器输出与数字量成正比的模拟电流 由与门 非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态 DI0 DI7 数据输入线 其中DI0为最低有效位LSB DI7为最高有效位MSB CS 片选信号 和ILE共同对WR1能否起作用进行控制 输入线 低电平有效 WR1 写信号1 将数据输入并锁存在输入寄存器中输入线 低电平有效 WR2 写信号2 将锁存于输入寄存器的数字传递到DAC寄存器 XFER必须同时有效 3 DAC0832管脚功能 ILE 输入允许锁存信号 输入线 高电平有效当ILE CS和WR1同时有效时 8位输入寄存器端为高电平 1 此时寄存器的输出端Q跟随输入端D的电平变化 反之 当端为低电平 0 时 原D端输入数据被锁存于Q端 在此期间D端电平的变化不影响Q端 XFER TransferControlSignal 传送控制信号 输入线 低电平有效 VREF 基准电压源端 输入线 10VDC 10VDC VCC 工作电压源端 输入线 5VDC 15VDC IOUT1 DAC电流输出端1 DAC寄存器全为1时 输出电流最大 为0时输出电流为0 一般作为运算放大器差动输入信号之一 IOUT2 DAC电流输出端2 IOUT2 常数 IOUT1 所以和IOUT1构成互补输入关系 一般作为运算放大器另一个差动输入信号 Rfb 反馈电阻 固化在芯片内的反馈电阻连接端 作为外部运算放大器的分路反馈电阻 为DAC提供电压输出 用于连接运算放大器的输出端 2 DAC0832输出方式 多数D A转换芯片输出的是弱电流信号 要驱动后面的自动化装置 需在电流输出端外接运算放大器 根据不同控制系统自动化装置需求的不同 输出方式可以分为电压输出 电流输出以及自动 手动切换输出等多种方式 电压输出方式 由于系统要求不同 电压输出方式又可分为单极性输出和双极性输出两种形式 下面以8位的DAC0832芯片为例作一说明 1 DAC单极性输出 式中 VREF 256是常数 显然 VOUT和B成正比关系 输入数字量B为00H时 VOUT也为0 输入数字量B为FFH即255时 VOUT为与VREF极性相反的最大值 DAC单极性输出方式如图2 2 7所示 由式可得输出电压VOUT的单极性输出表达式为 2 DAC双极性输出方式 DAC双极性输出方式如图2 2 8所示 A1和A2为运算放大器 A点为虚地 故可得 解上述方程可得双极性输出表达式 2 2 3 图中运放A2的作用是将运放A1的单向输出变为双向输出 当输入数字量小于80H即128时 输出模拟电压为负 当输入数字量大于80H即128时 输出模拟电压为正 其它n位D A转换器的输出电路与DAC0832相同 计算表达式中只要把28 1改为2n 1即可 或 电流输出方式 因为电流信号易于远距离传送 且不易受干扰 特别是在过程控制系统中 自动化仪表只接收电流信号 所以在微机控制输出通道中常以电流信号来传送信息 这就需要将电压信号再转换成电流信号 完成电流输出方式的电路称为V I变换电路 电流输出方式一般有两种形式 1 普通运放V I变换电路2 集成转换器V I变换电路 1 普通运放V I变换电路 1 0 10mA的输出 图2 2 9为0 10V 0 10mA的变换电路 由运放A和三极管T1 T2组成 R1和R2是输入电阻 Rf是反馈电阻 RL是负载的等效电阻 输入电压Vin经输入电阻进入运算放大器A 放大后进入三极管T1 T2 由于T2射极接有反馈电阻Rf 得到反馈电压Vf加至输入端 形成运放A的差动输入信号 该变换电路由于具有较强的电流反馈 所以有较好的恒流性能 输入电压Vin和输出电流Io之间关系如下 若R3 R4 Rf RL 可以认为Io全部流经Rf 由此可得 V Vin R4 R1 R4 Io RL R1 R1 R4 V Io Rf RL R2 R2 R3 对于运放 有V V 则Vin R4 R1 R4 Io RL R1 R1 R4 Io Rf RL R2 R2 R3 若取R1 R2 R3 R4 则由上式整理可得Io Vin R3 R1 Rf 3 6 可以看出 输出电流Io和输人电压Vin呈线性对应的单值函数关系 R3 R1 Rf 为一常教 与其他参数无关 若取Vin 0 10V R1 R2 100k R3 R4 20k Rf 200 则输出电流Io 0 10mA 2 4 20mA的输出 图2 2 2 10为1 5V 4 20mA的变换电路 两个运放A1 A2均接成射极输出形式 在稳定工作时Vin V1 所以I1 V1 R1 Vin R1又因为I1 I2所以Vin R1 I2 VS V2 R2即V2 VS Vin R2 R1在稳定状态下 V2 V3 If Io 故Io If VS V3 Rf VS V2 Rf将上式代入得Io VS VS Vin R2 R1 Rf Vin R2 R1 Rf 3 7 其中R1 R2 Rf均为精密电阻 所以输出电流Io线性比例于输入电压Vin 且与负载无关 接近于恒流 若R1 5k R2 2k R3 100 当Vin 1 5V时输出电流Io 4 20mA 2 集成转换器V I变换电路 图2 2 11是集成V I转换器ZF2B20的引脚图 采用单正电源供电 电源电压范围为10 32V ZF2B20的输入电阻为10K 动态响应时间小于25 S 非线性小于土0 025 图2 2 11集成V I转换器ZF2B20的引脚图 通过ZF2B20可以产生一个与输入电压成比例的输出电流 其输入电压范围是0 10V 输出电流是4 20mA 它的特点是低漂移 在工作温度为 25 85 范围内 最大温漂为0 005 利用ZF2B20实现V I转换的电路非常简单 图2 2 12 a 所示电路是一种带初值校准的0 10V到4 20mA的转换电路 图2 2 12 b 则是一种带满度校准的0 10V到0 10mA的转换电路 自动 手动输出方式 如图2 13所示 是在普通运放V I变换电路的基础上 增加了自 手动切换开关K1 K2 K3和手动增减电路与输出跟踪电路 图2 2 13带自动 手动切换的V I变换电路 1 自动 手动状态下的V I变换 1 当开关处于自动 A 状态时 运放A2与A1接通 形成一个电压比较型跟随器 当Vf Vi时 电路能自动地使输出电流增大或减小 最终使Vf Vi 于是有IL Vi R9 W 2 6 从上式可以看出 只要电阻R9 W稳定性好 A1 A2具有较好的增益 该电路就有较高的线性精度 当R9 W 500 或250 时 输出电流IL就以0 10mA或4 20mA的直流电流信号线性地对应Vi的0 5V或1 5V的直流电压信号 2 当开关处于手动 H 状态时 此时运放A2与A1断开 成为一个保持型反相积分器 当按下 增 按钮时 V2以一定的速率上升 从而使IL也以同样的速率上升 当按下 减 按钮时 V2以一定的速率下降 IL也以同样的速率下降 负载RL 一般为电动调节阀 上的电流IL的升降速率取决于R6 R7 C和电源电压 E的大小 而手动操作按钮的时间长短决定输出电流IL的大小 2 自动 手动双向无扰动切换 1 自动到手动的切换 当开关K1 K2 K3都从自动 A 切换为手动 H 时 增 减 两按钮处于断开状态 运放A2为一高输入阻抗保持器 则A2的输出V2几乎保持不变 从而维持输出电流IL恒定 2 手动到自动的切换 在每个控制周期 计算机首先由数字量输入通道 DI 读入开关K2的状态 以判断输出电路是处于手动状态或是自动状态 若是自动状态 则程序执行本回路预先规定的控制运算 输出Vi并通过V I变换输出电流IL 若为手动状态 则首先由A D通道读入Vf并转换为数字信号 然后原封不动地将此数字信号送出 由D A转换为电压信号送至输出电路的输入端Vi 这样就使Vi始终与Vf相等 DAC0832接口电路 DAC0832与单片机MCS 51有两种基本的接口方法 1 单缓冲器接法 2 双缓冲器同步接法 0832单缓冲器方式 1 单缓冲器方式接口 若系统中有一路D A转换或多路转换但不要求同步时 可采用单缓冲器方式接口 如图所示 将ILE接 5V CS XFER都与地址线相连 WR1 WR2都由8031WR的控制 当选通0832后 只要输出WR控制信号 0832就能进一步完成数字量的输入锁存和D A转换输出 2 双缓冲器方式接口 对于多路D A转换接口 要求同步进行D A转换输出时 必须采用双缓冲器同步方式接法 使数字量的输入锁存和D A转换输出分两步完成 即CPU经数据总线分时向各路D A转换器输入要转换的数字量 并锁存在各路D A转换器的输入寄存器中 然后CPU对所有的D A转换器发出控制信号 使各个D A转换器输入寄存器中的数据同时输入DAC寄存器 实现多路同步转换输出 D A转换模板 2 2 4 1D A转换模板的通用性2 2 4 2D A转换模板的设计举例 三 D A转换模板1D A转换模板的通用性 为了便于系统设计者的使用 D A转换模板应具有通用性 它主要体现在三个方面 1 符合总线标准2 接口地址可选3 输出方式可选 1 符合总线标准 这里的总线是指计算机内部的总线结构 D A转换模板及其它所有电路模板都应符合统一的总线标准 以便设计者在组合计算机控制系统硬件时 只需往总线插槽上插上选用的功能模板而无需连线 十分方便灵活 例如 STD总线标准规定模板尺寸为165 114mm 模板总线引脚共有56根 并详细规定了每只引脚的功能 2 接口地址可选 一套控制系统往往需配置多块功能模板 或者同一种功能模板可能被组合在不同的系统中 因此 每块模板应具有接口地址的可选性 一般接口地址可由基址 或称板址 和片址 或称口址 组成 3 输出方式可选 为了适应不同控制系统对执行器的不同需求 D A转换模板往往把各种电压输出和电流输出方式组合在一起 然后通过短接柱来选定某一种输出方式 一个实际的D A转换模板 供用户选择的输出范围常常是 0 5V 0 10V 5V 0 10mA 4 20mA等 2D A转换模板的设计举例 1 D A转换模板的设计原则2 D A转换模板的设计步骤3 8路8位D A转换模板实例 1 D A转换模板的设计原则 D A转换模板设计主要考虑以下几点 1 安全可靠 尽量选用性能好的元器件 并采用光电隔离技术 2 性能 价格比高 既要在性能上达到预定的技术指标 又要在技术路线 芯片元件上降低成本 3 通用性 D A转换模板应符合总线标准 其接口地址及输出方式应具备可选性 2 D A转换模板的设步骤 D A转换模板的设计步骤是 确定性能指标设计电路原理图设计和制造印制线路板最后焊接和调试电路板 3 8路8位D A转换模板实例 上图给出了8路8位D A转换模板的结构组成框图 它是按照总线接口逻辑 I O功能逻辑和I O电气接口等三部分布局电子元器件的 图中 总线接口逻辑部分主要由数据缓冲与地址译码电路组成 完成8路通道的分别选通与数据传送 I O功能逻辑部分由8片DAC0832组成 完成数模转换 而I O电气接口部分由运放与V I变换电路组成 实现电压或电流信号的输出 设8路D A